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如何拯救摩尔定律?看ADI的异构集成思路

作者:时间:2018-01-15来源:电子产品世界

  公司总裁兼首席执行官Vincent Roche在对2018年的技术趋势展望一文《这些创新将影响我们2018年的生活》中,首次发出将异构制造的话题作为产业未来发展趋势的一个重要观察角度。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201801/374434.htm

  他认为,随着深亚微米技术的开发成本飞涨和面临越来越严峻的技术和成本挑战,单个封装内、单层层压板甚至单个硅衬底上多种技术的异构集成将会增加。促使异构制造资本化的新型商业模式将会涌现,从而使无力投资最先进IC光刻技术的小规模半导体厂商实现重组创新。对于涉足范围更广且规模更大的供应商来说,将信号处理算法集成到芯片上将有助于提升其方案价值。

  异构集成,从两个专利技术应用看起

  大boss非常看好异构集成,不得不提到该公司拥有独特专利的异构制造的典型技术——iCoupler磁隔离技术。在维基百科上的介绍是——该技术核心是穿越隔离阻障发射与接收信号的平面变压器,这些变压器完全由标准半导体制造工艺进行集成,变压器由被聚酰亚胺层分开的两个线圈组成,聚酰亚胺层起到隔离阻障的作用。

  这种数字隔离技术解决了光耦合器的局限性——速度较低、功耗大,而且难于集成其他功能,性能会随时间降低。还将这种芯片级变压器技术应用其isoPower®隔离电源,单封装中实现隔离式DCDC转换和数据隔离的集成,使工程师摆脱光耦合器在成本、尺寸、功耗以及性能和可靠性上的限制,在设计中更轻松实施隔离。ADI公开的数据显示,目前已有10亿个以上采用iCoupler技术的隔离通道投入应用。

  4通道iCoupler隔离器结构图(ADuM140x)

  要说异构制造,当然还要提到通过几十年发展当前已经成为主流传感器和执行器技术的微机电系统(MEMS)。微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的,融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件,是最典型的异构制造技术,集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

  ADI公司在MEMS技术上也有着深厚历史渊源,公开的资料显示:世界上第一款成功开发、制造并商用的MEMS加速度计是ADI公司于1991年发布的 ADXL50 加速度计;ADI公司于2002年发布第一款集成式MEMS陀螺仪 ADXRS150。以此为开端,ADI公司建立了以高可靠性、高性能为卖点的庞大MEMS产品业务,已为汽车、工业和消费电子应用交付了逾10亿只惯性传感器。

  ADI引线框芯片级封装MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的尺寸比较

  异构制造让ADI再次在技术革命上攻城略地,得从2016年年末推出的RF MEMS开关说起,ADGM1304和ADGM1004 MEMS开关产品将业界对MEMS开关技术的探索首次真正投入商用,在提供从0 Hz (DC)到14 GHz的RF性能同时,采用密封硅电容中的静电激活开关,以及低压低电流驱动器IC大幅度提升运行性能,并使得开关的体积缩小95%、速度加快了30倍、可靠性提高10倍,功耗仅为原来的十分之一。

  RF MEMS开关ADGM1304剖面示意图

  开关技术革命性突破,异构集成再立新功

  传统的机电继电器已经在100多年前被电子行业采用,并在今天依然大量应用,但由传统继电器导致的多种性能局限早在电报问世之初就已存在。过去30年来,MEMS开关一直被标榜为性能有限的机电继电器的出色替代器件,因为它易于使用、尺寸很小,能够以极小的损耗可靠地传送0 Hz/dc至数百GHz信号,业界一直期待这种技术能彻底改变电子系统的实现方式。

  目前的传统开关技术都或多或少存在缺点,没有一种产品提供理想解决方案,缺点包括带宽较窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大。与继电器相比,MEMS技术一直就有实现最高水平开关性能的潜力,其可靠性要高出好几个数量级,而且尺寸很小。但是,难以通过大规模生产来大批量提供可靠产品的挑战,让许多试图开发MEMS开关技术的公司停滞不前。

  ADI投入大量资金研发的黄金悬臂梁结构(图为四个MEMS悬臂式开关梁)

  业界公开的资料中,Foxboro Company是最早开始MEMS开关研究的公司之一,于1984年申请了世界最早的机电开关专利之一。据ADI公司专家透露,ADI在1990年开始通过一些学术项目涉足MEMS开关技术研究,八年后终于开发出一种MEMS开关设计,并根据该设计制作了一些早期原型产品。2011年,ADI公司开始大幅增加了MEMS开关项目投入,从而推动了自有先进MEMS开关制造设施的建设,并在5年后业界率先推出真正商用的MEMS开关产品,堪称对传统的继电器开关革命性变革。

  在ADI公开的资料中,我们可以看到异构制造技术研发上的匠心。为提高开关的灵巧性,ADI采用了由黄金制造悬臂梁结构,同时为了避免金对金的接触设计不利于提升动作寿命,触点材料改用硬质合金金属,因此其使用寿命——即开关次数——得到了大幅提升。每个悬臂梁触点采用静电动作方式,在悬臂梁下方施加高压直流电压,以控制开关导通。当导通时,静电吸引力将悬臂拉下来,全部5个触点都降下来,每个触点的导通电阻均为5欧姆,组合后,整体导通电阻会小很多,从而能传输功率达36dBm。而触点导通时的实际移动距离只有0.3微米,微小的移动距离、以及ADI专利的密封壳技术,均有助于提高可靠性,可靠性是机械设计的关键。

  作为异构集成的一个新成功典范,使开关性能和尺寸缩减实现了大跨越。RF MEMS开关ADGM1304和ADGM1004实现了同类最佳的0 Hz/dc至Ka波段及以上的性能,比继电器高出若干数量级的循环寿命以及出色的线性度、超低功耗要求,解决了传统MEMS技术局限该商业应用的多个技术难点,从而帮助工程师开发出更快速、小巧、节能、可靠的产品。



关键词: 摩尔定律 ADI

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